La leucémie myéloïde aiguë (LMA) est l’une des formes de cancer le plus génétiquement hétérogène avec un faible taux de survie globale sur 5 ans de 21 % 1. En effet, les traitements standards sont peu efficaces pour les patients plus âgés, ceux présentant des comorbidités, ceux en rechutes ou pour les cas résistants. Bien que notre compréhension génétique de la LMA ait progressé ces dernières années, les traitements ont peu évolué et le taux de survie reste toujours faible chez les patients. À la suite d’un criblage de plus de 10 000 composés sur 56 échantillons primaires de LMA, nous avons regroupé des composés actifs contre la LMA à l’aide d’une nouvelle approche développée par notre groupe, nommée Compound Correlation Cluster (CCC) 2. L’hypothèse à l’origine de cette méthode de regroupement est que les composés d’un même CCC agissent sur les mêmes cibles moléculaires. Dans le présent mémoire, nous caractérisons une nouvelle petite molécule issue d’un de ces CCC, le BMS-249 du CCC88, un potentiel agent thérapeutique prometteur ciblant les sous-types de LMA à mauvais pronostic clinique. En effet, nous avons démontré que les spécimens de LMA TP53 mutés, à caryotype complexe, ou à risque défavorable, sont plus sensibles au BMS-249. Grâce à un criblage CRISPR/Cas9 sur l’ensemble du génome humain, nous avons déterminé que les gènes importants de la voie moléculaire du mévalonate et du cholestérol étaient impliqués dans son mécanisme d’action. Par des études de synergie et de quantification des lipides, nos résultats montrent que le BMS-249 impacte la voie métabolique du cholestérol dans des modèles de cellules leucémiques. De manière intéressante, des études récentes sur les statines ont montré que le métabolisme du cholestérol est une cible thérapeutique d’intérêt en LMA 3, et l’effet du BMS-249 sur cette voie démontre effectivement qu’elle est cruciale pour la survie des cellules cancéreuses. Dans l’avenir, de plus amples études sur la relation entre la structure et l’activité du BMS-249, à des fins d’optimisation et d’identification directe de la cible moléculaire, seront grandement pertinentes. Globalement, nos résultats ont démontré que l’approche par CCC permet de rapidement trouver des voies moléculaires importantes pouvant être ciblées pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques contre la LMA. / Acute myeloid leukemia (AML) is one of the most genetically heterogeneous forms of cancer with a low 5-year overall survival rate of 21% (1). Indeed, standard treatments are not very effective for older patients, those with comorbidities, those in relapse or for drug resistant cases. Although our genetic understanding of AML has progressed in recent years, treatments have slowly evolved, and the survival rate remains low among patients. Following a screening of more than 10,000 compounds on 56 primary AML samples, we clustered compounds active against AML using a novel approach developed by our group, named Compound Correlation Cluster (CCC) (2). The assumption behind this clustering method is that compounds of the same CCC act on the same molecular targets. In this thesis, we characterize a new small molecule derived from one of these CCCs, the BMS-249 of CCC88, a potential promising therapeutic agent targeting AML subtypes with poor clinical outcomes. Indeed, we demonstrated that specimens of AML TP53 mutated, with a complex karyotype, or at unfavorable risk are more sensitive to BMS-249. Through a human genome-wide CRISPR/Cas9 screen, we determined that important genes of the mevalonate and cholesterol molecular pathway are involved in its mechanism of action. Through synergy and lipid quantification studies, our results show that BMS-249 impacts the cholesterol metabolic pathway in leukemic cell models. Interestingly, recent studies on statins have shown that cholesterol metabolism is a therapeutic target of interest in AML (3), and the effect of BMS- 249 on this pathway effectively demonstrates that it is crucial for cancer cell survival. In the future, further studies on the relationship between the structure and activity of BMS-249, for the purpose of optimization and direct identification of the molecular target, will be highly relevant. Overall, our results demonstrated that the CCC approach allows to quickly find molecular pathways that can be targeted for new therapeutic agents against AML.

KRAS ist eines der am häufigsten mutierten Onkogene in Darmkrebspatienten. Dies macht es zu einem guten Ansatzpunkt für gezielte Krebstherapien. Trotz jahrzehntelanger Forschungsbemühungen hat sich jedoch keines der zur Inhibition des mutierten KRAS entwickelten Medikamente klinisch etablieren können. Um eventuelle Schwachstellen von KRAS mutierten Darmkrebszellen aufzudecken, wurde in der vorliegenden Studie ein shRNA basierter Screen in CaCo2 Zellen mit konditioneller KRAS(G12V) Expression ausgeführt. Die maßangefertigte shRNA-Bibliothek umfasste 121 ausgewählte Gene, die zuvor nach MEK Inhibition als stark hoch- oder herunterreguliert identifiziert wurden. Der Screen sowie die Screen-Validierung zeigten, dass KRAS(G12V) exprimierende CaCo2 Zellen besonders sensitiv für den Knockdown des DNA Replikationslizensierungsfaktors Minichromosome Maintenance Complex Component 7 (MCM7) waren, wohingegen sich KRAS(wt) CaCo2 Zellen als weitestgehend resistent gegenüber des MCM7 Knockdowns erwiesen. Ähnliche Ergebnisse wurden im isogenen DLD 1 Zellmodell erzielt. Des Weiteren hat der Knockdown von MCM7 spezifisch in KRAS mutierten Zellen zu erhöhtem Replikationsstress geführt, der durch gesteigerte nukleare RPA Fokalisierung nachgewiesen wurde. Weitere Untersuchungen haben außerdem eine signifikant erhöhte Anzahl an mitotischen Zellen nach gleichzeitigem MCM7 Knockdown und KRAS(G12V) Expression ergeben. Diese Zunahme an mitotischen Zellen wurde zusätzlich von einer stark angestiegenen Anzahl an DNS Schäden in der Mitose begleitet. Das hohe Maß an DNS Schäden in der Mitose kann auf den gesteigerten Replikationsstress zurückgeführt werden, der ungelöst zu einer gestörten Segregation der Chromosomen in der Mitose führt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass KRAS mutierte Darmkrebszellen sensitiv auf den Knockdown von MCM7 sind. Demzufolge könnte die Inhibition von DNS Replikationslizensierung ein geeigneter Ansatz für die gezielte Therapie von KRAS mutierten Darmkrebs sein. / KRAS ist eines der am häufigsten mutierten Onkogene in Darmkrebspatienten. Dies macht es zu einem guten Ansatzpunkt für gezielte Krebstherapien. Trotz jahrzehntelanger Forschungsbemühungen hat sich jedoch keines der zur Inhibition des mutierten KRAS entwickelten Medikamente klinisch etablieren können. Um eventuelle Schwachstellen von KRAS mutierten Darmkrebszellen aufzudecken, wurde in der vorliegenden Studie ein shRNA basierter Screen in CaCo2 Zellen mit konditioneller KRAS(G12V) Expression ausgeführt. Die maßangefertigte shRNA-Bibliothek umfasste 121 ausgewählte Gene, die zuvor nach MEK Inhibition als stark hoch- oder herunterreguliert identifiziert wurden. Der Screen sowie die Screen-Validierung zeigten, dass KRAS(G12V) exprimierende CaCo2 Zellen besonders sensitiv für den Knockdown des DNA Replikationslizensierungsfaktors Minichromosome Maintenance Complex Component 7 (MCM7) waren, wohingegen sich KRAS(wt) CaCo2 Zellen als weitestgehend resistent gegenüber des MCM7 Knockdowns erwiesen. Ähnliche Ergebnisse wurden im isogenen DLD 1 Zellmodell erzielt. Des Weiteren hat der Knockdown von MCM7 spezifisch in KRAS mutierten Zellen zu erhöhtem Replikationsstress geführt, der durch gesteigerte nukleare RPA Fokalisierung nachgewiesen wurde. Weitere Untersuchungen haben außerdem eine signifikant erhöhte Anzahl an mitotischen Zellen nach gleichzeitigem MCM7 Knockdown und KRAS(G12V) Expression ergeben. Diese Zunahme an mitotischen Zellen wurde zusätzlich von einer stark angestiegenen Anzahl an DNS Schäden in der Mitose begleitet. Das hohe Maß an DNS Schäden in der Mitose kann auf den gesteigerten Replikationsstress zurückgeführt werden, der ungelöst zu einer gestörten Segregation der Chromosomen in der Mitose führt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass KRAS mutierte Darmkrebszellen sensitiv auf den Knockdown von MCM7 sind. Demzufolge könnte die Inhibition von DNS Replikationslizensierung ein geeigneter Ansatz für die gezielte Therapie von KRAS mutierten Darmkrebs sein. / With KRAS being one of the most frequently altered oncogenes in colorectal cancer (CRC), it is an obvious target for cancer therapy. However, despite enormous efforts over the past three decades to target mutated KRAS, not a single drug has made it to the clinic. To unravel vulnerabilities of KRAS-mutant CRC cells, a shRNA-based screen was performed in CaCo2 cells harboring conditional oncogenic KRAS(G12V). The custom-designed shRNA library comprised 121 selected genes, which were previously identified to be strongly up- or downregulated in response to MEK inhibition. The screen as well as the subsequent validations showed that CaCo2 cells expressing KRAS(G12V) were sensitive to the suppression of the DNA replication licensing factor Minichromosome Maintenance Complex Component 7 (MCM7), whereas KRAS(wt) CaCo2 cells were largely resistant to MCM7 suppression. Similar results were obtained in an isogenic DLD-1 cell culture model. Knockdown of MCM7 in a KRAS-mutant background led to replication stress as indicated by increased nuclear RPA focalization. Further investigation showed a significant increase in mitotic cells after simultaneous MCM7 knockdown and KRAS(G12V) expression. The increased percentage of mitotic cells coincided with strongly increased DNA damage in mitosis. Taken together, the accumulation of DNA damage in mitotic cells is due to replication stress that remained unresolved, which results in mitotic catastrophe and cell death. In summary, the data show a vulnerability of KRAS mutant cells towards suppression of MCM7 and suggest that inhibiting DNA replication licensing might be a viable strategy to target KRAS-mutant cancers.

Topoisomerase 2α (Topo2α) is an essential protein with DNA decatenating enzymatic properties, indispensable for chromosome decatenation and segregation. It is a target for a plethora of antitumour drugs and Topo2α protein levels have been associated with the success of treatment, but also drug resistance and secondary malignancies. Although unique in its ability to resolve catenated chromosomes, the role of Topo2α in other steps of DNA metabolism, such as DNA replication elongation and termination have been elusive. A thorough understanding of the role of Topo2α in the cell will not only allow for increased insight into the mechanisms it is involved in, but it will also shed light on proteins and pathways that can act as back-up in its absence, and therefore hopefully expand the basis on which to improve treatment options. Through a synthetic lethal interaction (SLI) screen with an siRNA library targeting 200 DNA repair and signalling genes, Topo2α emerged as being synthetic lethal to Werner protein (WRN), a RecQ helicase involved in maintaining genome integrity mainly in S phase, and the loss of which leads to Werner Syndrome (WS), a segmental progeroid syndrome. The screen was performed in WRN deficient cells, with the initial aim to find proteins that act to buffer against loss of viability, which is the central idea in the concept of synthetic lethality in the absence of WRN. The screen revealed an SLI between WRN and Topo2α and although we were unable to fully validate this, it spurred the question of Topo2α’s role in DNA replication. The findings in this thesis suggest that Topo2α is not required for DNA elongation and timely completion of S phase, and that simultaneous loss of the closely related isoform Topo2β does not affect replication, suggesting that these proteins do not act in parallel back-up pathways during replication. Interestingly, cells accumulate in the polyploid fraction after both depletion and inhibition of Topo2α, albeit with different kinetics. The mechanistic basis of this phenotype remains to be understood through further research, but it is highly interesting as aneuplidity and polyploidy are implicated in the initial stages of tumour development.

DNA is wrapped around proteins called histones, whose modification regulates numerous cellular processes. Therefore it is not surprising that mutations in the genes that modify the histones are frequently associated with human cancer. For example, mutations in SETD2, encoding the sole enzyme that catalyses histone H3 lysine 36 trimethylation (H3K36me3), occur frequently in multiple cancer types. This identifies H3K36me3 loss as an important event in cancer development, and also as a potential therapeutic target. This thesis investigates the following questions: (1) how does the loss of H3K36me3 contribute to cancer development; and (2) what therapy can be used to kill cancers that have already lost H3K36me3. To answer the first question, this thesis shows that H3K36me3 facilitates the accurate repair of DNA double-stranded breaks (DSBs) by homologous recombination (HR). H3K36me3 promotes HR by recruiting CtIP to the site of DSBs to carry out resection, allowing the binding of HR proteins (such as RPA and RAD51) to the damage sites. Thus it is proposed that error-free HR repair within H3K36me3-decorated transcriptionally active genomic regions suppresses genetic mutations which could promote tumourigenesis. To answer the second question, this thesis reveals a clinically relevant synthetic lethal interaction between H3K36me3 loss and WEE1 inhibition. WEE1 inhibition selectively kills H3K36me3-deficient cells by inhibiting DNA replication, and subsequent fork stalling results in MUS81 endonuclease-dependent DNA damage and cell death. The mechanism is found to be synergistic depletion of RRM2 (ribonucleotide reductase small subunit), the enzyme that generates deoxyribonucleotides (dNTPs). This work reveals two pathways that regulate RRM2: one involves transcriptional activation of RRM2 by H3K36me3, and the other involves RRM2 degradation regulated by Cyclin-Dependent Kinase, CDK1 (which is controlled by WEE1, CHK1 and ATR). Based on this mechanism, the synthetic lethal interaction is expanded, from between two genes, to between two pathways. Supported by in vivo experiments, the study suggests that patients with cancers that have lost H3K36me3 could benefit from treatment with the inhibitors of WEE1, CHK1 or ATR.

Introduction Le cancer bronchique est un problème de santé publique en étant la première cause de décès par cancer dans le monde. Il reste de mauvais pronostic avec une résistance au Cisplatine qui est inéluctable dans l’histoire naturelle de la maladie. Nous nous sommes intéressés à l’association du CDDP aux inhibiteurs de la Poly(ADP-ribose) polymérase. Les inhibiteurs pharmacologiques de PARP sont source d’optimisme en oncologie clinique en monothérapie pour des tumeurs déficientes pour une voie de réparation de l’ADN et en association aux cytotoxiques classiques.Matériel et méthodes Nous avons généré 9 clones résistants au CDDP après culture de la lignée A549 dans des faibles doses de CDDP. Deux inhibiteurs pharmacologiques de PARP, CEP8983 (CEP) et PJ34 (PJ), ainsi que des siRNA spécifiques de PARP1 sont utilisés pour l’inhibition de PARP. L’apoptose est mesurée en cytométrie de flux par l’intermédiaire du potentiel membranaire de la mitochondrie DiOC6(3) et la perméabilisation de la membrane plasmique est évaluée par l’iodide de propidium. Le test de clonogénicité permet d’évaluer la capacité des cellules à échapper à la mort et à former une colonie. L’activité métabolique des cellules est mesurée par la mesure de clivage du sel de tetrazolium WST-1. L’immunofluorescence sur cellules fixées a permis d’étudier les dommages de l’ADN (γH2AX), la voie intrinsèque de l’apoptose (l’activation de la caspase 3 et la libération du cytochrome c) et la recombinaison homologue (BRCA1, RAD51). En Western Blot nous avons mesuré l’expression et l’activité de PARP (PAR) ainsi que l’expression d’acteurs de la réparation par excision de base (BER) (XRCC1 and polymérase β). Nous avons développé une méthode de détection de PAR en immunohistochimie sur des tissus inclus en paraffine. Résultats Nous avons trouvé un effet synergique pour l’association du CDDP aux inhibiteurs de PARP in vitro. De façon inattendue nous avons observé que les clones résistants au CDDP développent une addiction à PARP et sont spécifiquement tués par l’inhibition de PARP contrairement à la lignée parentale. Ces clones exhibent une hyperexpression et une hyperactivité de PARP. La réponse aux inhibiteurs de PARP corrèle plus précisément avec l’activation plutôt qu’avec l’expression de PARP, pointant que PAR est un biomarqueur plus précis que PARP. Nous avons observé que l’hyperactivation de PARP accompagne une résistance induite au CDDP et prédispose à une sensibilité aux inhibiteurs de PARP dans d’autres lignées de cancer bronchique (H460 et H1650), de mésothéliome (P31), de cancer de l’ovaire (TOV112D) et de col (HeLa). Dans des expériences in vivo nous avons noté que dans les xénogreffes obtenues à partir de clones résistants au CDDP, l’expression de PAR est stablement retrouvée en immunohistochimie. Ces tumeurs répondaient à l’inhibition de PARP par le PJ en diminuant l’expression de PAR. Les clones résistants au CDDP sensibilisés aux I PARP ont une recombinaison homologue conservée, cependant ont un déficit dans les étapes terminales du BER.Conclusion Nous avons identifié un effet synergique pour l’association des inhibiteurs de PARP au CDDP de des lignées de cancer bronchique. Nous avons observé une dépendance à PARP dans des lignées de cancer bronchique résistantes au CDDP et déficientes pour l’élongation du BER. Nous postulant que PAR est un biomarqueur spécifique de la réponse aux inhibiteurs de PARP. / Introduction Driven by the facts that non small cell lung cancer (NSCLC) is the leading cause of cancer-related morbidity and mortality worldwide and that NSCLC patients often develop resistance against Cisplatin (CDDP)-based therapies, we addressed the question of the combination therapy of CDDP with poly(ADP-ribose) polymerases (PARP) inhibitors. Inhibitors of PARP have raised great expectations for the treatment of a variety of cancers, either as monotherapeutic agent against DNA repair-deficient tumours or combined to DNA-damaging compounds.Material and methods We generated nine CDDP-resistant clones by prolonged exposure to low dose CDDP of the A549 NSCLC parental cell line. Two distinct PARP inhibitors, CEP8983 (CEP) and PJ34 (PJ) as well as PARP1 knockdown with small interfering RNAs (siRNAs) were used for PARP inhibition. Apoptosis was measured by the simultaneous assessment for the loss of the mitochondrial transmembrane potential (m) and the breakdown of the plasma membrane using the m-sensitive fluorochrome DiOC6(3) and the vital dye propidium iodide, respectively. Moreover clonogenic survival was assessed. In vitro assessments of the enzymatic activity of cells were based on the reduction of the colorless tetrazolium salt. Immunofluorescence microscopy determinations were performed with antibodies specific for DNA damage (γH2AX), intrinsic apoptosis (cleaved Caspase-3 and cytochrome c), and homologous recombination (RAD51 and BRCA1). Immunoblotting was assed for PARP1 expression and activity (PAR) and base excision repair (BER) effectors (XRCC1 and polymerase β). We developed an immunohistochemical staining method that specifically detects PAR on paraffin-embedded cell pellets and tissue sections.Results We found that PARP inhibitors and PARP1 siRNAs synergized with CDDP in the killing of NSCLC cells in vitro. Unexpectedly, CDDP-resistant NSCLC cell clones developed addiction to PARP hyperactivation, thereby becoming susceptible to apoptosis induction by PARP inhibition. We showed that these cisplatin-resistant clones, exhibited high PARP protein levels and increased PARP activity, leading to an increased poly-ADP ribosylation of cellular proteins, as compared to their parental, cisplatin-sensitive counterparts. These cisplatin-resistant cells become susceptible to cell death as induced by PARP inhibition, correlating with the hyperactivity of PARP (elevated PAR levels) more accuratly than with the overexpression of PARP. Suggesting that PAR levels may constitute a more accurate biomarker than PARP to predict the sensitivity of cells to PARP inhibition. We expanded the observation that cisplatin resistance causes PARP upregulation and hyperactivation and subsequent sensitization to PARP inhibition to additional five human cancer cell lines including two NSCLC (H1650 and H460), one mesothelioma (P31), one ovarian (TOV112D) and one cervical cancer (HeLa) cell line. To get further insight into this issue, we generated in vivo experiments. Tumors derived from CDDP-resistant cells were characterized by elevated levels of PAR suggesting that PAR levels are preserved during tumor formation. Those PAR-overexpressing tumors responded to the administration of PJ in vivo with a consistent reduction in PAR immunoreactivity. CDDP resistant clones that are specifically killed by PARP inhibitors assessed efficient homologous recombination repair however deficient BER elongation.Conclusion We showed a beneficial effect for the association therapy of PARP inhibitors with CDDP in several NSCLC cell lines. We have identified an addiction to PARP in CDDP resistant cell lines with deficient BER elongation. We postulate that PAR is a specific predictive biomarker for the response to PARP inhibitors.

Le sarcome de Ewing est la seconde tumeur pédiatrique de l’os la plus fréquente. Elle est caractérisée par une translocation chromosomique résultant à la fusion de EWSR1 avec un membre de la famille ETS. Chez 85% des patients, cette fusion conduit à l’expression de la protéine chimérique EWS-FLI1 qui est l’oncogène majeur de ce sarcome. Ce dernier agit principalement par son action transcriptionelle sur des cibles qui lui sont propres. Au niveau thérapeutique, le sarcome d’Ewing est traité par chimiothérapie, chirurgie locale et par radiothérapie. La survie à long terme des patients est de l’ordre de 70%, mais beaucoup plus basse pour les patients métastatiques et quasi nulle lors d’une récidive. Parmi maintes caractéristiques, certains cancers présentent une dérégulation énergétique. L’influence d’EWS-FLI1 sur cet aspect n’a fait l’objet d’aucune étude dans le contexte du sarcome d’Ewing. Nous avons donc étudié par profilage métabolomique des cellules de sarcome d’Ewing en présence ou en absence d’EWS-FLI1. En comparant ces deux conditions, des modulations du profil énergétique relatif au cycle de Krebs, des précurseurs de le glycosylation ainsi que des métabolites de la voie de la méthionine et du tryptophane ont été observés. En parallèle, grâce à un crible de banque de shRNAs réalisé dans des conditions expérimentales similaires à l’étude métabolomique (lignée d’Ewing avec ou sans EWS-FLI1), nous avons pu identifier des gènes présentant des caractéristiques « synthétique létales », c'est-à-dire tuant uniquement les cellules du sarcome d’Ewing en présence de son oncogène. / Ewing sarcoma, the second most commonly occurring pediatric bone tumor, is most often characterized by a chromosomal translocation between EWSR1 and FLI1. The gene fusion EWS-FLI1 accounts for 85% of all Ewing sarcoma and is considered the major oncogene and master regulator of Ewing sarcoma. EWS-FLI1 is a transcriptional modulator of targets, both directly and indirectly. Ewing sarcoma is aggressively treated with chemotherapy, localized surgery and radiation and has an overall survival of about 70%, however, survival for metastasis or relapsed cases remains low. One of the cancer hallmarks, metabolic deregulation, is most likely partly dependent on EWS-FLI1 in Ewing sarcoma cells. In order to get a better understanding of Ewing sarcoma biology and oncogenesis, it might be of high interest to investigate the influence of EWS-FLI1 in Ewing sarcoma cells. We therefore performed a global metabolic profiling of Ewing sarcoma cells with or without inhibition of EWS-FLI1. Several changes in the energy metabolism were observed throughout this study; the observed changes were consistent with an energy profile that moved from a cancer cell energy metabolism towards the energy metabolism of a more normal cell upon EWS-FLI1 inhibition, primarily based on the TCA cycle. Levels of TCA intermediates, glycosylation precursors, methionine pathway metabolites and amino acids, especially changes in the tryptophan metabolic pathway, were altered upon EWS-FLI1 inhibition. Parallel to this study, we performed a high-throughput synthetic lethality screen, in order to not only identify essential genes for cell survival and proliferation, but also to identify new synthetic lethal targets that could specifically target Ewing sarcoma cells carrying the EWS-FLI1 fusion gene.

Les extrémités des chromosomes contiennent des répétitions de séquences d’ADN appelées télomères qui empêchent l’activation inopportune de la réponse aux dommages de l'ADN afin de préserver l'intégrité génomique. Les télomères raccourcissent à chaque cycle de réplication d’ADN et la télomérase a pour fonction de contrebalancer cette érosion en allongeant les télomères. Les cellules somatiques n’expriment pas la télomérase, donc leur durée de vie est normalement limitée par ce raccourcissement progressif des télomères qui conduit à l'activation de la voie p53 entraînant un arrêt de la croissance cellulaire. En revanche, les cellules cancéreuses acquièrent l'immortalité cellulaire principalement en réactivant la télomérase ou en utilisant des méthodes alternatives d'allongement des télomères basées sur la recombinaison d’ADN. Auparavant, dans notre laboratoire, un criblage CRISPR à l'échelle du génome a été réalisé dans la lignée cellulaire pré-B NALM-6 traitée avec la molécule BIBR1532, un inhibiteur de la télomérase. Ces résultats suggéraient que cinq sous-unités du complexe de remodelage de la chromatine INO80, lorsque supprimées indépendamment, réduisaient la prolifération des cellules ayant un raccourcissement des télomères induit par le BIBR1532. Mon objectif était d'étudier cette interaction génétique afin de comprendre les processus biologiques impliqués dans cette létalité synthétique. Après l'élimination des gènes codant à la fois pour la sous-unité enzymatique de la télomérase humaine (hTERT) ainsi que les sous-unités spécifiques du complexe INO80 humain, nous avons constaté que les cellules double-négatives avaient une capacité proliférative réduite, ce qui démontre que l’interaction génétique mesurée par criblage CRISPR est bel et bien spécifique. Étant donné le rôle du facteur de transcription p53 dans la réponse cellulaire au raccourcissement télomérique, nous avons exploré l’importance de cette voie de signalisation pour l’interaction entre le complexe INO80 humain et la télomérase. Après l’activation de p53 avec un traitement avec la molécule nutlin-3a, les niveaux d'expression de plusieurs cibles de p53 tels que MDM2 et CDKN1A ont augmenté dans les cellules ayant une délétion du gène NFRKB, codant pour une sous-unité du complexe INO80 humain. Les cellules ayant une délétion du gène UCHL5, codant pour le partenaire d’interaction de NFRKB, ont également montré une augmentation de l’expression de MDM2 lorsque traitées avec nutlin-3a. Enfin, la perte de télomérase (hTERT) modifie les niveaux d'expression des composants de la 2 voie p53 CDKN1A, BAX et MDM2. En conclusion, la suppression des gènes codant pour des sous-unités du complexe INO80 telles que NFRKB ou UCHL5 est nuisible aux cellules ayant une délétion de la télomérase. Le complexe INO80 humain peut être impliqué dans l'inhibition de la voie p53, en réponse à l'activation de p53 soit par des télomères courts ou avec un traitement avec nutlin-3a. Des recherches plus approfondies sur cette interaction génétique pourraient mener au développement de nouvelles thérapies combinatoires afin d’inhiber la croissance des cellules cancéreuses. / The ends of chromosomes contain telomeric repeats that prevent the DNA damage response from being activated in order to preserve genomic integrity. Telomerase functions to alleviate incomplete DNA replication at telomeres, and to repair those telomeres damaged by various means including oxidative damage. The lifespan of telomerase negative somatic cells is normally restricted by gradual telomere shortening which can lead to the activation of the p53 pathway resulting in cellular growth arrest. Cancer cells often elongate their telomeres in order to acquire cellular immortality predominantly by reactivating telomerase or by using recombination-based, alternative telomere lengthening methods. Previously in our lab, a genome-wide CRISPR screen was conducted in the pre-B cell line NALM-6 treated with a small molecule inhibitor of telomerase, BIBR1532. These previous results suggested that five subunits of the INO80 chromatin-remodeling complex, when independently deleted, reduced cellular proliferation in cells with BIBR1532 induced telomere shortening. My goal was to investigate this genetic interaction in order to understand the biological processes implicated in this synthetic lethal relationship. After the knockout of the genes encoding both the enzymatic subunit of human telomerase (hTERT) and specific subunits of the human INO80 complex, I found that the proliferative capacity of NALM-6 cells was reduced. This result indicates the genetic interaction identified by CRISPR screening is in fact specific. In addition, after p53 stimulation with nutlin-3a treatment, expression levels of the p53 pathway component MDM2 were altered after the knockout of the genes encoding specific subunits of the human INO80 complex, NFRKB and UCHL5, individually. CDKN1A expression was also altered after nutlin-3a treatment and NFRKB knockout. Finally, the loss of telomerase (hTERT) alters the expression levels of the p53 pathway components CDKN1A, BAX and MDM2. In conclusion, the deletion of the genes encoding specific subunits of the INO80 complex, including NFRKB and UCHL5, is harmful to cells after hTERT knockout. The human INO80 complex may be involved in inhibiting the p53 pathway, in response to p53 activation by short telomeres or nutlin-3a treatment. Further investigation into this synthetic lethal relationship may shed light on new combinatorial therapeutics in cancer.

Mutations in the hereditary breast/ovarian cancer genes BRCA1/2 were shown to be synthetic lethal with poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors (PARPi). This toxicity is assumed to derive from PARPi-induced DNA double strand breaks (DSBs) that necessitate BRCA function in homologous recombination (HR) and/or fork protection (FP). However, PARPi accelerates replication forks. While high-speed replication could cause DSBs, the finding that PARPi leads to single-stranded DNA (ssDNA) gaps/nicks suggests replication gaps could also or alone be the cause of synthetic lethality. Here, we demonstrate that PARPi toxicity derives from replication gaps. Isogenic cells deficient in BRCA1 or the BRCA1-associated FANCJ, with common DNA repair defects in HR and FP, exhibit opposite responses to PARPi. Deficiency in FANCJ, a helicase also mutated in hereditary breast/ovarian cancer and Fanconi anemia, causes aberrant accumulation of fork remodeling factor HLTF and limits unrestrained DNA synthesis with ssDNA gaps. Thus, we predict replication gaps as a distinguishing factor and further uncouple HR, FP and fork speed from PARPi response. BRCA-deficient cells display excessive gaps that are diminished upon resistance, restored upon re-sensitization and when targeted augment synthetic lethality with PARPi. Furthermore, we define the source of gaps to defects in Okazaki fragment processing (OFP). Unchallenged BRCA1-deficient cells have elevated poly(ADP-ribose) and chromatin-associated PARP1 but aberrantly low XRCC1 indicating a defective backup OFP pathway. Remarkably, 53BP1 loss resuscitates OFP by restoring XRCC1-LIG3 that suppresses the sensitivity of BRCA1-deficient cells to drugs targeting OFP or generating gaps. Collectively, our study highlights unprotected lagging strand gaps as a determinant of synthetic lethality, providing a new paradigm and biomarker for PARPi toxicity.